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金剛石可能是未來的核磁共振技術(shù)的關(guān)鍵
美國(guó)能源部(DOE)伯克利勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Berkeley Lab)和加州大學(xué)(UC)伯克利分校的研究人員已經(jīng)論證，金剛石可能是未來的核磁共振(NMR)和磁共振成像(MRI)技術(shù)的關(guān)鍵。
Alex Pines的研究小組記錄了*塊室溫下任意磁場(chǎng)和晶體取向下，金剛石中碳-13原子核的原位NMR超極化。
Alexander Pines是伯克利實(shí)驗(yàn)室材料科學(xué)部和伯克利大學(xué)Glenn T. Seaborg化學(xué)教授席位的學(xué)院教授，在其主導(dǎo)的一項(xiàng)研究中，研究人員記錄了*塊室溫下任意磁場(chǎng)和晶體取向下，金剛石中碳-13原子核的原位NMR超極化。超極化的碳-13自旋信號(hào)顯示NMR/MRI信號(hào)敏感度得到了相對(duì)于傳統(tǒng)的NMR/MRI磁體在室溫下通?？赡艿男盘?hào)敏感度超出多個(gè)數(shù)量級(jí)的增強(qiáng)。此外，這種超極化是使用微波實(shí)現(xiàn)的，而不是依靠的磁場(chǎng)來進(jìn)行超極化轉(zhuǎn)移。
Pines是發(fā)表在《Nature Communications》上一篇關(guān)于本研究的論文的通訊作者。該論文的標(biāo)題是《金剛石中光泵浦氮空位中心的室溫原位原子核自旋超極化》。Pines研究小組的一位成員JonathanKing是該文的*作者。
作者報(bào)告，觀察到了百分之六的體原子核自旋極化，這是一個(gè)比熱平衡大170000倍左右的核磁共振信號(hào)增強(qiáng)。超極化自旋信號(hào)可以通過標(biāo)準(zhǔn)NMR探針進(jìn)行原位檢測(cè)，不需要來回移動(dòng)樣品或者的晶體取向。作者認(rèn)為這種新的超極化技術(shù)應(yīng)該可以使在室溫條件下對(duì)固體和液體的核磁共振研究的靈敏度得到數(shù)量級(jí)上的增強(qiáng)。
“我們的研究結(jié)果代表了一個(gè)與Weizmann科學(xué)研究所的Lucio Frydman和其同事在其開創(chuàng)性實(shí)驗(yàn)中得到的結(jié)果相當(dāng)?shù)暮舜殴舱裥盘?hào)增強(qiáng)，但是是在金剛石中通過微波誘導(dǎo)動(dòng)態(tài)原子核超極化，不需要控制磁場(chǎng)和晶體取向，”Pines說：“室溫超極化金剛石打開NMR/MRI極化從一個(gè)惰性、無毒、易分離的源轉(zhuǎn)移到任意樣本的可能性，這是當(dāng)代NMR/MRI技術(shù)長(zhǎng)期追求的一個(gè)目標(biāo)。”
同時(shí)具有化學(xué)特異性和非破壞性的特點(diǎn)使NMR/MRI技術(shù)在包括化學(xué)、材料、生物和醫(yī)學(xué)等的廣泛領(lǐng)域內(nèi)成為一種*的技術(shù)。然而，它的敏感度問題仍然是一個(gè)持久的挑戰(zhàn)。NMR/MRI信號(hào)是基于電子和原子核的一種被稱為“自旋”的本征量子特性。電子和原子核可以像一個(gè)旋轉(zhuǎn)的小磁鐵棒一樣被分配一個(gè)“向上”或“向下”的方向狀態(tài)。NMR/MRI信號(hào)取決于被往一個(gè)方向極化的核自旋的大多數(shù)——即極化程度越高，信號(hào)越強(qiáng)。Pines和他的研究小組成員經(jīng)過幾十年的努力，已經(jīng)開發(fā)了大量的方法來超極化原子核的自旋。在過去的兩年中他們一直專注于金剛石晶體和一種稱為氮空位(NV)中心的雜質(zhì)，在氮空位中心里光學(xué)和自旋自由被耦合在一起。
“當(dāng)純金剛石晶體的晶格中相鄰的兩個(gè)碳原子被從晶格中刪除，留下兩個(gè)空隙，其中一個(gè)被一個(gè)氮原子填充，另一個(gè)保持空缺的時(shí)候，就得到了一個(gè)氮空位(NV)中心，”Pines解釋說。這使得在氮原子和空位之間出現(xiàn)非束縛的電子，產(chǎn)生*和明確的電子自旋極化態(tài)。”
在之前的研究中，Pines和他的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，低強(qiáng)度磁場(chǎng)可以用來將NV中心電子自旋極化傳遞到附近的碳-13原子核，從而產(chǎn)生超極化核。這個(gè)被稱為動(dòng)態(tài)核極化的自旋轉(zhuǎn)移過程在以前就已經(jīng)被用于增強(qiáng)核磁共振信號(hào)，但總是在高強(qiáng)度磁場(chǎng)和低溫條件下進(jìn)行。Pines和他的團(tuán)隊(duì)通過在金剛石旁邊放置一個(gè)*磁鐵消除了這些要求。
“在我們的新研究中，我們利用微波而不是磁場(chǎng)來匹配電子和碳-13原子核之間的能量，從而消除了一些困難的對(duì)磁場(chǎng)強(qiáng)度和對(duì)準(zhǔn)的限制，使得我們的技術(shù)更容易使用，”King說：“另外，在我們以前的研究中，我們通過光學(xué)測(cè)量間接推斷核極化的存在，因?yàn)槲覀儫o法測(cè)試是樣品整體極化還是只有非常接近NV中心的核被極化。通過*消除對(duì)磁場(chǎng)的需要，我們現(xiàn)在能夠用NMR直接測(cè)量大塊樣品。
在《Nature Communications》的文章里，Pines, King和其他共同作者說，可以有效地集成到現(xiàn)有的制造技術(shù)并創(chuàng)造高表面面積金剛石器件的超極化金剛石應(yīng)該可以為極化轉(zhuǎn)移提供一個(gè)通用的平臺(tái)。
“我們希望利用現(xiàn)有的極化轉(zhuǎn)移技術(shù)——如固體中的交叉極化和液體中的交叉弛豫，或NV中心外圍核的直接動(dòng)態(tài)核極化——來得到液體和固體的高度增強(qiáng)核磁共振,”King說，應(yīng)該注意到，這種轉(zhuǎn)移到固體表面和液體的極化轉(zhuǎn)移之前已經(jīng)被Pines的研究團(tuán)隊(duì)用激光極化Xe-129論證過。”我們基于光學(xué)極化NV中心的超極化技術(shù)更為強(qiáng)大和有效，應(yīng)該適用于任意的目標(biāo)分子，包括必須保持在接近室溫條件下的生物系統(tǒng)。”